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Softwareseitige Integration Roboterintegration schließt Automatisierungslücken

Autor / Redakteur: Jürgen Lieber / Andrea Gillhuber

Damit man Produktionsprozesse flexibler gestalten kann, müssen sich Industrieroboter nahtlos in die Automatisierungsarchitektur einfügen. Moderne Motion-Control-Lösungen ermöglichen eine direkte Integration der Roboter auf Steuerungs- und MES-Ebene.

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Pick-and-Place-Anwendungen mit dem Delta 3 Roboter.
Pick-and-Place-Anwendungen mit dem Delta 3 Roboter.
(Bild: Schneider Electric)

Roboter sind als anpassungsfähige Automatisierungskomponenten in der Lage, der steigenden Komplexität moderner Wertschöpfungsketten zu begegnen und Fertigungsprozesse maßgeblich zu flexibilisieren. Grundvoraussetzung ist allerdings eine möglichst nahtlose Integration der Robotik in das Hardware- und Softwarekonzept einer Produktionsanlage. Damit dies gelingt, arbeiten Roboterhersteller und Automatisierungsspezialisten zunehmend Hand in Hand.

Roboter haben Schlüsselrolle auf dem Weg zur vernetzten Produktion

Offene Schnittstellen auf Herstellerseite in Kombination mit standardisierten Motion-Control-Lösungen, wie sie beispielsweise von Schneider Electric favorisiert werden, sorgen so langfristig für immer höhere Integrationsgrade. Industrierobotern fällt im Rahmen des digitalen Wandels damit künftig eine Schlüsselrolle auf dem Weg zur vollständig vernetzten Produktion zu.

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Roboter können sowohl in einen Produktionsprozess als auch unmittelbar in ein Anlagenkonzept integriert werden, um eine vollständige Automatisierung zu erzielen. Roboter picken, positionieren, sortieren und mischen Produkte vollautomatisch und flexibel. Damit ist die Robotik in vielen Fällen ein entscheidender Aspekt, wenn es gilt, Ver- und Bearbeitungsschritte sowie Verpackungs- und Handhabungsschritte in einen umfassenden Gesamtprozess zu integrieren. Ihre besondere Stärke entfaltet die Robotik allerdings bei der Reorganisation von Prozessen. Denn Roboter lassen sich im Vergleich zu klassischen Mechaniken flexibel und ohne manuelle Eingriffe an veränderte Prozessparameter anpassen – selbst der Austausch des kompletten Bearbeitungswerkzeugs kann dabei automatisiert werden.

Darüber hinaus sind Roboter in der Regel mit komplexen Sensoren oder Vision-Systemen gekoppelt und können dadurch wertvolle Daten für übergeordnete Analyse- und Statistiklösungen bereitstellen. Der Einsatz von Robotiklösungen schafft somit die Voraussetzungen, um Automatisierungslücken aufzudecken und sie auf dem Weg zur intelligenten Produktion nahtlos zu schließen. Grundvoraussetzung hierfür ist allerdings, dass sich die entsprechenden Steuerungssysteme auch nahtlos in die jeweilige Automatisierungsarchitektur einfügen lassen.

Roboter spielen Schlüsselrolle auf dem Weg zur vernetzten Produktion

Häufig kommen in der Robotik noch proprietäre Steuerungskonzepte mit getrennten Kontrollsystemen für die Anlagen- und Robotersteuerung zum Einsatz. Wird eine Maschine oder eine Fertigungslinie allerdings auf andere Formate oder Produkte umgestellt, braucht auch der in den Prozess integrierte Roboter – bei aller ihm eigenen Flexibilität – entsprechende Informationen, um sich auf die veränderten Parameter einzustellen. Ist die Robotersteuerung, wie im Falle von proprietären Steuerungskonzepten, inklusive Positionsberechnung nicht in das Maschinenprogramm integriert, müssen beide Systeme separat umgestellt werden – eine einfache Integration auf Basis von „Plug-and-work“ ist deshalb nicht möglich.

Zwar lassen sich beide Steuerungen über Schnittstellen beziehungsweise Gateways koppeln, allerdings kann es im Zuge dessen zu deutlichen Einschränkungen bei der Vielseitigkeit und Flexibilität des Roboters kommen. So ist ein Roboter, der über eine proprietäre Steuerung angesteuert wird, beispielsweise nicht in der Lage, seinen Tool Center Point (TCP) ohne Weiteres auf ein Förderband zu synchronisieren, das über einen übergeordneten Motion Controller angesteuert wird. Zur Synchronisierung ist ein getaktetes Förderband notwendig, was wiederum erhebliche Einbußen beim Maschinendurchsatz bedeutet.

Darüber hinaus schränkt ein zwischengeschaltetes Gateway unter Umständen auch die Verfügbarkeit anderer Daten ein: Da es sich bei proprietären Steuerungen um herstellerabhängige und somit isolierte Konzepte mit eigenen Programmiersprachen und -umgebungen handelt, können Daten zur Bedienung, Visualisierung oder funktionalen Sicherheit oftmals nur mit zusätzlichem Aufwand erschlossen werden.

Direkte Software-Integration in Maschinensteuerung

Führende Automatisierer sind daher schon vor einiger Zeit dazu übergegangen, eine tiefere Integration von Roboter- und Maschinenprogramm voranzutreiben.

Schneider Electric etwa hat vor neun Jahren damit begonnen, die Robotik in eine Standardlösung für Motion Control zu überführen. Mittels der Pac-Drive- Motion-Control-Technik können IEC 61131-3-konforme SPS-Funktionsbausteine direkt in der Maschinensteuerung gerechnet werden.

Bei der Programmierung einer Trajektorie des Roboter-TCPs werden dabei die jeweiligen Positionen der Roboterachsen in Echtzeit gerechnet und kontinuierlich als Sollwert an die Servoregler weitergegeben. Bei einer direkten Integration der Robotik in das Maschinenprogramm der SPS entfällt die separate Robotersteuerung und die Anpassung an veränderte Parameter – etwa eine Formatumstellung bei einer Toploading-Verpackungsmaschine – ist ohne größere Einschränkungen realisierbar. Rüst- beziehungsweise Taktzeiten können somit maßgeblich reduziert werden. Dieser Ansatz erlaubt auch eine durchgängige Steuerungslösung für Visualisierung, Diagnose, Ausnahme-Handling und die Erfassung von Daten, etwa im Rahmen von IoT-basierten Lösungen.

Robotik-Hersteller haben die Notwendigkeit einer tieferen Integration erkannt

Die Relevanz einer tieferen Integration der Robotik in vorhandene MES wurde zwischenzeitlich auch auf Herstellerseite erkannt – wenngleich Maschinenbauer vorerst nur die Produkte einiger Robotikpioniere in ihre Maschinen integrieren können. Zudem gibt es erhebliche qualitative Unterschiede hinsichtlich der Integration auf Programmebene.

Ein Unternehmen, das eine zukunftsorientierte Integration von Robotern in Maschinen vorantreibt, ist der Roboterhersteller Stäubli. So erlaubte etwa die anfangs entwickelte Schnittstelle uni-Val plc zumindest eine teilweise Integration in das Maschinenprogramm des Pac-Drive-Systems von Schneider Electric.

Das Unternehmen hat vordefinierte Software-Funktionsbausteine entwickelt, mit deren Hilfe das Verfahren des Roboters über eine Fremdsteuerung angesteuert werden kann. Allerdings findet die gesamte Robotikfunktionalität wie Transformations- und Achsenbewegungsberechnung weiterhin in der Robotersteuerung Stäubli CS8C statt. Eine vergleichbare Situation eröffnet sich mit der mx-Automation-Schnittstelle von Kuka.

Eine tiefergehende Integration in ein Automatisierungssystem wie Pac-Drive ermöglichen Ansätze, die auf der Emulation eines Servosystems aufbauen. Auch hier ist in erster Linie Stäubli mit seiner Schnittstelle uni-Val drive zu nennen: Die Stäubli-Robotersteuerung als Sercos-Teilnehmer emuliert entsprechend der Anzahl der Roboterachsen die gleiche Anzahl an Servoantrieben; die Pac-Drive-Steuerung gibt die exakten Sollwertpositionen im vorgegebenen Sercos- Takt an den Stäubli-CS8C-Controller weiter. Der Vorteil ist eine bessere Integration des Roboters in das Maschinenprogramm, allerdings bleibt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Robotersteuerung bestehen. Darüber hinaus sind die Servoverstärker der Robotermotoren mehr oder weniger immer noch „Fremdkörper“ im Gesamtsystem.

Vollständige Integration als Königsweg

Im Rahmen einer engeren Kooperation mit Stäubli können die Scara-Toboter der Typen TS40, TS60 sowie TS80 in Zukunft vollständig mit Servoverstärkern von Schneider Electric angesteuert werden. Durch den kompletten Wegfall der Fremdsteuerung ermöglicht dieser Ansatz eine reine Motion-Control-basierte Lösung, die alle Vorteile einer durchgängigen Automatisierungslösung mit einschließt.

Der Roboter wird vollständig in das Maschinenprogramm integriert und somit zu einem integralen Bestandteil der Automatisierungsarchitektur mit einer einheitlichen Programmiersprache. Dies ermöglicht nicht nur eine schnellere Inbetriebnahme, Fehlersuche und Maschinendiagnose, sondern zusätzlich auch eine einfachere Synchronisierung der Anlage beziehungsweise Fertigungslinie zum Maschinentakt. Zudem wird der Platzbedarf im Schaltschrank sowie die Ersatzteilvariation für Endanwender deutlich reduziert.

Eine vollständige Integration in die Hardware der Systemarchitektur ist ein wichtiger Schritt, allerdings muss die Integration auch auf Softwareseite unterstützt werden: Für Maschinenhersteller und Anlagenbetreiber gleichermaßen ist es bei der Integration der Robotik in vorhandene Anlagenkonzepte ebenso wichtig zu wissen, welche Funktionsbausteine auf Softwareseite zur Verfügung stehen. Denn letztendlich ist der Zugriff auf entsprechend umfassende Softwarebibliotheken ausschlaggebend dafür, in welcher Qualität und mit welchem Aufwand eine Robotiklösung in das Maschinenprogramm integriert werden kann.

Robotikbibliothek schließt Belt-Tracking und Intelligent Acceleration Limits mit ein

So verfügt das Pac-Drive-System etwa über eine Robotikbibliothek mit vordefinierten Softwarebausteinen, die neben kompletten Bewegungsabläufen auch Belt-Tracking und Intelligent Acceleration Limits mit einschließt. Damit können Programmierer auf ein einheitliches Bedien- und Programmierkonzept zurückgreifen, sodass einzelne Roboterparameter beziehungsweise Kinematiken wie Armlänge oder Offsets und Motordaten bei der Konfiguration nicht mehr mühsam händisch eingegeben werden müssen. Spezielle Roboterkenntnisse sind somit auf Anwenderseite so gut wie nicht mehr erforderlich.

Die Integration von Roboter- und Maschinensteuerung sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene stellt eine Grundvoraussetzung dar, um den Anforderungen, die mit dem digitalen Wandel einhergehen, gerecht zu werden. Hersteller und Automatisierungsspezialisten haben hier gleichermaßen die Zeichen der Zeit erkannt.

Bereits seit einigen Jahren investieren Unternehmen wie Schneider Electric und führende Roboterhersteller in den Aufbau von Softwarebibliotheken, standardisierten Motion-Control-Lösungen oder offenen Schnittstellen, um eine tiefere Roboterintegration voranzutreiben. Denn nur wenn Roboter nicht mehr als isolierte Anlagenkomponente, sondern als essenzieller Bestandteil einer einheitlichen Automatisierungsarchitektur begriffen werden, können zukunftsorientierte, voll vernetzte Fertigungskonzepte tatsächlich Realität werden.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MaschinenMarkt erschienen.

* Jürgen Lieber ist Offer Manager OEM Solutions/Pac-Drive bei Schneider Electric.

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